CC BY
32
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК / UDC 579.841.3:631.95:633.853.52
ЭКОЛОГО-СТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ РОЛЬ АЦК-УТИЛИЗИРУЮЩИХ РИЗОБАКТЕРИЙ В АГРОЦЕНОЗАХ СОИ
ENVIRONMENTAL-STABILIZING ROLE OF ACC-UTILIZING RHIZOBACTERIA IN
THE AGROCENOSES OF SOYBEAN
Тычинская И.Л.*, кандидат сельскохозяйственных наук, младший научный сотрудник Tychinskaya I.L., Candidate of Agricultural Sciences, Junior Research Scientist Кузмичева Ю.В., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Kuzmicheva Yu.V., Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor Ботуз Н.И., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Botuz N.I., Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor
Петрова C.H., доктор сельскохозяйственных наук, доцент Petrova S.N., Doctor of Agricultural Sciences, Associate Professor ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет
имени Н.В. Парахина», Орел, Россия Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin", Orel, Russia Белимов A.A., доктор биологических наук Belimov A.A., Doctor of Biological Sciences ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, Санкт-Петербург, Россия All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology, Saint Petersburg, Russia
*E-mail: pridatko1990@ mail.ru
В связи со сложившейся экологической ситуацией важнейшее место в современном земледелии должно отводиться стимуляции растительно-микробных взаимодействий, эколого-стабилизирующая роль которых наиболее ярко проявляется в агроценозах зернобобовых культур. Перспективным является поиск и практическое применение новых микроорганизмов с полифункциональными свойствами, которые позволят в большей степени реализовать средоулучшающий потенциал бобовых. При этом особую актуальность представляет использование АЦК-утилизирующих ризобактерий, обладающих универсальным антистрессовым эффектом на растения. Научные исследования выполнены в 2013-2015 гг. в рамках тематического плана-задания Министерства сельского хозяйства Российской Федерации. В опытах изучалась эффективность интродукции в агроценозы сои Красивая Меча перспективного штамма АЦК-утилизирующих ризобактерий Variovorax paradoxus 3Р-4 отдельно и в комплексе с производственным штаммом ризобий Bradyrhizobium japonicum 6346, в зависимости от уровня минерального питания растений в условиях Орловской области. Перспективный штамм АЦК-утилизирующих ризобактерий оказывал стимулирующее действие на формирование бобово-ризобиального симбиоза в агроценозах сои и был наиболее эффективен в комплексе с инокуляцией ризобиями. Наибольшей отзывчивостью на интродукцию микроорганизмов симбиотические системы растений отличались на сокращенном фоне минерального питания (NPK 70%). Активизация симбиотической и фотосинтетической деятельности растений сои в условиях эффективного симбиоза повысила их обеспеченность макроэлементами на 7-15% и микроэлементами - на 5-17%, при этом КПД ФАР надземной фитомассы превысил контрольный уровень на 18,5%, что позволило повысить урожайность зерна в 1,2 раза при снижении дозы NPK на 30%. Таким образом, АЦК-утилизирующие ризобактерии играют важную эколого-стабилизирующую роль в агроценозах сои, позволяя увеличить производство качественного зерна за счет более эффективного использования солнечной энергии и реализации средоулучшающего потенциала культуры при сокращении использования минеральных удобрений. Ключевые слова: соя, АЦК-утилизирующие ризобактерии, симбиоз, фотосинтез, азотфиксация, минеральное питание, урожайность.
In connection with the prevailing ecological situation, the most important place in modern agriculture should be stimulation of plant-microbial interactions, the ecological-stabilizing role of which is most clearly manifested in agrocenoses of leguminous crops. Prospective is the search and practical application of new microorganisms with polyfunctional properties, which will allow exploiting more environmentally improving potential of legumes. At the same time, the use of ACC-utilizing rhizobacteria possessing a universal anti-stress effect on plants is of particular relevance. Scientific research was carried out in 2013-2015. Within the framework of the thematic plan-task of the Ministry of Agriculture of the Russian Federation. In the experiments, the effectiveness of the introduction into the agrocenosis of soybeans of the Krasivaya Mecha of the prospective ACK-recombinant rhizobacterial strain Variovorax paradoxus 3P-4 was studied separately and in combination with the production strain of rhizobium Bradyrhizobium japonicum 634b, depending on the level of mineral nutrition of plants in the Orel region. A promising strain of ACC-utilizing rhizobacteria exerted a stimulating effect on the formation of legume-rhizobia symbiosis in soybean agrocenoses and was most effective in combination with inoculation with rhizobia. The greatest sympathy for the introduction of microorganisms in the symbiotic system of plants was characterized by a pumped background of mineral nutrition (NPK 70%). The activation of symbiotic and photosynthetic activity of soybean plants in the conditions of effective symbiosis increased their supply of macroelements by 7-15% and trace elements by 5-17%, while the efficiency of the FAP of the ground fitness exceeded the level by 18.5%, which allowed increasing the yield of grain in 1.2 times when the dose of NPK is reduced by 30%. Thus, ACC-utilizing rhizobacteria play an important ecological and stabilizing role in soybean agrocenoses, allowing to increase the production of quality grain due to more efficient use of solar energy and the realization of a better environmental potential of the crop while reducing the use of mineral fertilizers. Key words: soya, ACC-utilizing rhizobacteria, symbiosis, photosynthesis, mineral nutrition, productivity.
Введение. Сегодня ученые мира обеспокоены первостепенными проблемами человечества XXI века, к которым относятся высокая заболеваемость, низкая продолжительность жизни, высокая младенческая смертность, во многом связанные со стремительным загрязнением окружающей среды и увеличением чрезвычайных экологических ситуаций. Не случайно 2017 г. объявлен годом экологии в России. Поэтому внедрение эколого-стабилизирующих технологий имеет стратегическое значение в улучшении среды обитания, качества жизни и адаптивных возможностей и активном долголетии человека [1, 2].
В этой связи, важнейшее место в современном земледелии должно отводиться стимуляции растительно-микробных взаимодействий, эколого-стабилизирующая роль которых наиболее ярко проявляется в агроценозах зернобобовых культур. Их уникальная способность вступать в поликомпонентный симбиоз с полезной почвенной микрофлорой обеспечивает минеральное питание и стрессоустойчивость растений, повышает урожай и его качество, способствуя производству растительного белка с участием биологического азота при снижении ресурсозатрат [3-6].
Перспективным является поиск и практическое применение новых микроорганизмов с полифункциональными свойствами, которые позволят в большей степени реализовать средоулучшающий потенциал бобовых. При этом особую актуальность представляет использование АЦК-утилизирующих ризобактерий, обладающих универсальным антистрессовым эффектом на растения. Одними из механизмов их фитостимулирующего действия являются подавление ингибирующего действия этилена, интенсивно продуцируемого растением в условиях стресса, и синтез ИУК, о чем свидетельствуют многочисленные лабораторные исследования [7].
Цель наших исследований заключалась в изучении эколого-стабилизирующей роли перспективных штаммов АЦК-утилизирующих ризобактерий в агроценозах сои северного экотипа в условиях Орловской области.
Условия, материалы и методы. Научные исследования выполнены в 2013-2015 гг. в рамках тематического плана-задания Министерства сельского хозяйства Российской Федерации. Лабораторные эксперименты осуществлялись на кафедре растениеводства при использовании научного оборудования ЦКП «Экологический и агрохимический мониторинг сельскохозяйственного производства и среды обитания» Орловский ГАУ, а также лаборатории ризосферной микрофлоры ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург). Полевые опыты закладывались в НОПЦ «Интеграция» Орловского ГАУ (п. Лаврово, Орловский район).
Объектом исследований был сорт сои северного экотипа Красивая Меча (селекция ВНИИЗБК), районированный по Центрально-Черноземному региону. Растения выращивались в селекционном севообороте на делянках площадью 10 м2 в четырехкратной повторности. Метод размещения опытных делянок -рендомизированный. Предшественник - черный пар. Почва опытного участка серая лесная, слабокислая (рН - 5,0), со средним содержанием гумуса (3,8%), подвижного фосфора (12,9 мг/100 г почвы) и обменного калия (15,9 мг/100 г почвы).
В опытах изучалась эффективность интродукции в агроценозы сои перспективного штамма АЦК-утилизирующих ризобактерий Variovorax paradoxus 3Р-4 отдельно и в комплексе с производственным штаммом ризобий Bradyrhizobium japonicum 6346 в зависимости от уровня минерального питания растений. Штаммы микроорганизмов предоставлены ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии.
Инокуляция семян ризобиями производилась в день посева из расчета 200 г на гектарную норму семян, штамм Variovorax paradoxus 3Р-4 вносили в рядки в фазу всходов (10% р-р). В опыте использовали 2 фона минерального питания растений -NPK100% (доза удобрений на планируемый урожай 3 т/га) и NPK70%. Минеральные элементы вносили в виде тукосмеси с процентным содержанием NPK 10:26:26.
Опыты закладывались по следующей схеме:
1. Контроль: без использования микроорганизмов, фон NPK (100 и 70%)
2. Штамм 6346: штамм клубеньковых бактерий Bradyrhizobium japonicum 6346
3. Variovorax: штамм ризобактерий с АЦК-дезаминазной активностью Variovorax paradoxus 3Р-4.
4.Штамм 6346+ Variovorax
Учет количества и массы клубеньков на корнях растений осуществлялся методом монолитов [8]. Нитрогеназную активность определяли методом редукции ацетилена в модификации А.С. Шаина [9] на портативном газовом хроматографе «ФГХ-1» (ООО "Научно-производственное предприятие «ЭКАН»"). Количество фиксированного азота определяли расчетным методом [10]. Площадь ассимиляционной листовой поверхности определялась весовым методом [11] с применением портативного фотопланиметра марки LI 3000С, фирмы LI-COR. Фотосинтетический потенциал (ФП) определяли по методике Ничипоровича А.А. и др. [12]. Содержание в растениях питательных элементов определяли на эмиссионном спектрометре параллельного действия с индуктивно-связанной плазмой ICPE-900 (Shimadzu, Япония) по стандартной методике производителя. Уровень использования солнечной радиации посевами (КПД ФАР) рассчитывали, используя формулу Х.Г. Тооминга [13]. Урожайность сои определяли путем взвешивания зерна, убранного с каждой делянки прямым комбайнированием. Полученные данные обработаны с помощью компьютерной программы «Statistics».
Метеорологические условия в годы исследований отклонялись от среднемноголетних данных и сопровождались неравномерным распределением осадков и колебанием температуры воздуха на протяжении всего вегетационного периода сои. Влагообеспеченность посевов в критические периоды развития культуры была недостаточной. Например, II декада мая 2013 г., на которую
приходился сев сои, характеризовалась засушливыми условиями, при этом в третьей декаде мая, выпала двойная норма осадков, что привело к уплотнению почвы и образованию почвенной корки, т.е. способствовало неравномерному появлению всходов. В сентябре количество осадков превысило среднее многолетнее значение в 2 раза, что привело к задержке созревания семян и увеличению периода вегетации, а также создало трудности, связанные с уборкой урожая. Для 2014 г. были характерны засушливые условия, которые наиболее ярко начали проявляться во второй декаде июля, пришедшейся на фазу цветения культуры, и продолжались вплоть до уборки урожая. 2015 г. сопровождался достаточно сухой и теплой погодой. Так для I декады июня были характерны засушливые условия, осадков выпало в 1,9 раза меньше декадной нормы, а температура воздуха превысила среднее многолетнее значение на 13°С. Это привело к сокращению продолжительности фаз развития растений (цветение, созревание) и повлияло на уменьшение количества бобов и семян, что отрицательно сказалось на величине урожайности.
Результаты и обсуждение. Перспективный штамм АЦК-утилизирующих ризобактерий оказывал стимулирующее действие на формирование бобово-ризобиального симбиоза в агроценозах сои, при этом необходимо отметить, что наибольшей отзывчивостью на его интродукцию симбиотические системы растений отличались на сокращенном фоне минерального питания (ЫРК 70%) (табл.1). Наиболее высокой нодуляцией корней растения отличались в варианте с совместным использованием ризобий и АЦК-утилизирующих ризобактерий, где количество клубеньков увеличивалось в 3,4 раза, а их масса - в 8,9 раза, по сравнению с контролем.
Таблица 1 - Нодуляционная способность сорта сои Красивая Меча в зависимости от условий питания (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг.)
Варианты ЫРК100% ЫРК70%
Количество клубеньков, млн. шт./га
1. Контроль 0,9 0,5
2. Штамм 6346 3,2* 2,2*
3. Уаг'юуогах 1,2 1,4*
4. Штамм 6346 + Уаг'юуюгах 1,6* 1,7*
Масса активных клубеньков, кг/га
1. Контроль 38,5 9,4
2. Штамм 6346 107,0* 60,3*
3. Уаг'юуогах 60,4* 33,9*
4. Штамм 6346 + Уаг'юуогах 106,1* 83,6*
Примечание: * - Ро<0,05.
Величину симбиотического аппарата характеризует количество клубеньков, а интенсивность его работы - нитрогеназная активность. Приемы регуляции растительно-микробных взаимодействий (РМВ) наряду с улучшением нодуляции корней, способствовали повышению функциональной активности клубеньков (табл. 2).
Таблица 2 - Нитрогеназная активность сои Красивая Меча в зависимости от используемых агропромов, нмольС2Н4/раст./час (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг.)___
Варианты ЫРК100% ЫРК70%
1. Контроль 90,25 445,07
2. Штамм 6346 425,02 1149,34
3. Уаг'юуогах 922,37 946,89
4. Штамм 6346 + Уаг'юуюгах 2033,22 1693,47
НСР0,5 2013 г. - 457,23
2014 г. 682,28 1230,79
2015 г. 400,48 91,93
Комплексная интродукция ризобий и ризобактерий рода Уагюуогах также обеспечила максимальную активность нитрогеназного комплекса, которая превысила контрольный уровень в 3,8-22,5 раза, в зависимости от фона ЫРК.
Активизация симбиотической деятельности агроценозов сои под воздействием экзогенной регуляции РМВ способствовала повышению усвоения ими азота воздуха и включению его в биологический синтез (рис. 1). Так, например, в результате комплексного использования ризобий и ризобактерий рода Уаг'юуогах у сорта Красивая Меча на полном минеральном фоне количество фиксируемого растениями биологического азота возросло в 23 раза, по сравнению с контролем, и составило 67 кг/га.
IЫРК100%
ЫРК 70%
я
70 60 50 40 30 20 10 0
■1Г1
Контроль Штамм 6346 Уапоуогах Штамм 6346 +
Уапоуогах
Рисунок 1 - Количество азота воздуха, фиксируемое агроценозами сои Красивая Меча, кг/га (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг.): ЫРК100% - НСР0,52014 - 23,1;
НСР0,52015 - 18,9; ЫРК70% - НСР0,52013 - 12,4; НСР0,52014 - 30,1; НСР0,52015 - 8,7.
Наиболее тесные взаимосвязи растений с микроорганизмами прослеживаются на примере сопряжения двух процессов - азотфиксации и фотосинтеза, которые лежат в основе продуктивности растительного организма [14]. Изучение фотосинтетических способностей сои Красивая Меча позволило выявить существенные различия между вариантами, как на уровне линейных, так и функциональных параметров.
При комплексном использовании ризобий и ризобактерий рода Уаг'юуогах на неполном минеральном фоне растения в ответ на запрос фотоассимилятов со стороны микросимбионта максимально усиливали ростовые процессы в листьях, увеличив площадь ассимиляционной поверхности в 1,4 раза, по сравнению с контролем (табл.3).
Таблица 3 - Площадь листьев сои Красивая Меча в зависимости от условий выращивания, см2/раст. (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг.)_
Варианты ЫРК100% ЫРК70%
1. Контроль 467,1 597,0
2. Штамм 6346 552,7 645,6
3. Уаг'юуогах 538,7 676,9
4. Штамм 6346 + Уаг'юуогах 644,2* 814,1*
Примечание: * - Р0<0,05.
Улучшение условий питания растений за счет активизации растительно-микробных взаимодействий также способствовало повышению их фотосинтетического потенциала, изменение которого находилось в прямой корреляции с изменением площади ассимиляционной листовой поверхности (табл. 4).
Таблица 4 - Фотосинтетический потенциал сои Красивая Меча, м2*дней, (фаза цветения, среднее за 2013-2015 гг.) __
Варианты ЫРК100%% ЫРК70%
1. Контроль 5,06 6,94
2. Штамм 6346 7,09 7,59
3. Уапйюгах 6,52 8,39
4. Штамм 6346 + Уапйюгах 8,86 10,05
На фоне ЫРК70% в варианте с комплексной интродукцией клубеньковых бактерий и ассоциативных ризобактерий рода Уаг'юуйгах фотосинтетический потенциал достиг максимального показателя, превысив контрольный уровень на 44,8%.
Благодаря изменению параметров мезоструктуры листьев сои и их фотосинтетического потенциала посредством интродукции различных групп симбиотических микроорганизмов нам удалось повысить уровень использования агроценозами солнечной энергии (табл. 5).
Таблица 5 - Уровень использования солнечной энергии агроценозами сои Красивая Меча в зависимости от факторов регуляции РМВ, КПД ФАР, % (среднее за 2013-2015 гг.)___
Варианты ЫРК 100% ЫРК70%
1. Контроль 1,09 1,08
2. Штамм 6346 1,16 1,13
3. Уапйюгах 1,15 1,22
4. Штамм 6346 + Уапйюгах 1,19 1,28
Наибольший показатель КПД ФАР надземной фитомассы у изучаемого сорта, превысивший контрольный на 18,5%, был отмечен на неполном фоне минерального питания в варианте с комплексным использованием клубеньковых бактерий и ризобактерий рода Уагюуйгах.
Активизация симбиотической и фотосинтетической деятельности растений сои в условиях эффективного симбиоза повысила их обеспеченность макроэлементами на 7-15% и микроэлементами - на 5-17%, что позволило повысить урожайность в 1,2 раза при снижении дозы ЫРК на 30% (табл. 6).
Таблица 6 - Урожайность сои Красивая Меча в разные годы исследований в
зависимости от факторов регуляции РМВ, т/га
Варианты 2013 г. 2014 г. 2015 г.
ЫРК70% ЫРК100% ЫРК70% ЫРК100% ЫРК70%
1. Контроль 2,43 1,83 2,20 2,63 1,97
2. Штамм 6346 2,55 2,23 2,45 2,50 1,89
3. Уаг'ююгах 2,73 2,05 2,63 2,65 2,11
4. Штамм 6346 + Уатюгах 3,17 2,25 2,68 2,60 2,00
НСР0,5 0,3 0,5 0,8 0,6 0,6
Выводы. АЦК-утилизирующие ризобактерии играют важную эколого-стабилизирующую роль в агроценозах сои, позволяя увеличить производство качественного зерна за счет более эффективного использования солнечной энергии и реализации средоулучшающего потенциала культуры при сокращении использования минеральных удобрений.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Агаджанян H.A., Жученко A.A. мл., Черкасов A.B. Экология человека в современном мире. М., 2014. 244 с.
2. Жученко A.A. мл. Биогенная цивилизация // Экология и жизнь. 2001. № 5(22). С. 73-77.
3. Зотиков В.И., Наумкина Т.С. Пути повышения ресурсосбережения и экологической безопасности в интенсивном растениеводстве // Вестник ОрелГАУ. № 3. 2007. С. 11-14.
4. Тихонович И.А., Проворов H.A. Симбиозы растений и микроорганизмов: молекулярная генетика агросистем будущего. СПб.: Изд-во С.-Петерб. унта, 2009. 210 с.
5. Повышение продуктивности зернобобовых культур при их взаимодействии с полезной ризосферной микрофлорой / Н.В. Парахин, С.Н. Петрова, Ю.В. Кузмичева, Ю.В. Моисеенко // Земледелие. 2012. № 6. С. 26-28.
6. Тычинская И.Л. Повышение эффективности возделывания сортов сои при формировании ассоциаций с АЦК-утилизирующими ризобактериями: дис. ... канд. с.-х. наук. Орел, 2016. 1б3 с.
7. Белимов A.A., Сафронова В.И. АЦК деаминаза и растительно-микробные взаимодействий: (обзор) // Сельскохозяйственная биология. 2011. № 3. С. 23-28.
8. Посыпанов Г.С. Методы изучения биологической фиксации азота воздуха. М.: Агропромиздат, 1991. 300 с.
9. Шаин A.C. Оценка и создание нового исходного материала клевера лугового с повышенной белковой продуктивностью и азотфиксирующей способностью: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. М., 1990.
10. Методика оценки активности симбиотической азотфиксации селекционного материала зернобобовых культур ацетиленовым методом / В.П. Орлов и др. Орел: ВНИИ ЗБК, 1984. 16 с.
11. Корнилов A.A. Методическое определение площади листьев зернобобовых культур // Методы исследований зернобобовых культур. Ч. 2. Орел, 1971. С. 40-45.
12. Фотосинтетическая деятельность растений в посевах / A.A. Ничипорович, Л.Е. Строганова, С.Н. Чмора, М.П. Власова. М.: АНСССР, 1961. 133 с.
13. Тооминг Х.Г. Определение поглощенной радиации и коэффициента полезного действия (коэффициента использования) ФАР в некоторых особых случаях. Метод. указания по учету и контролю важнейших показателей процессов фотосинтетической деятельности растений в посевах. М.: ВАСХНИЛ, 1969. С. 50-57.
14. Звягинцев Д.Г., Добровольская Т.Г., Лысак Л.В. Растения как центры формирования бактериальных сообществ // Ж. общ.биол. 1993. Т. 54. № 3. С. 183-200.
